1.2. Cơ sở thực tiễn về đánh giá tiềm năng đất đai và sử dụng đất bền vững
1.3.4. Một số nghiên cứu ứng dụng bài toán tối ưu trong sử dụng đất bền vững
Tối ưu hóa là một trong những lĩnh vực kinh điển của toán học có ảnh hưởng đến hầu hết các lĩnh vực khoa học - công nghệ và kinh tế - xã hội. Trong thực tế, việc tìm giải pháp tối ưu cho một vấn đề nào đó chiếm một vai trò hết sức quan trọng.
Phương án tối ưu là phương án hợp lý nhất, tốt nhất, tiết kiệm chi phí, tài nguyên, nguồn lực mà lại cho hiệu quả cao (Nguyễn Hải Thanh, 2006) [68].
Một phương án tối ưu là một phương án khả thi và tốt nhất, tức là phương án làm cho hàm mục tiêu đạt kết quả min (max) và phải thỏa mãn các điều kiện yêu cầu của bài toán (thỏa mãn các điều kiện ràng buộc).
Có thể khái quát mô hình (bài toán) tối ưu tổng quát như sau:
F (X) €Max (Min) với X &D được gọi là miền ràng buộc.
F ở đây có thể là một hàm vô hướng hay hàm véc tơ, tuyến tính hay phi tuyến.
Trong trường hợp F là hàm vô hướng thì ta có mô hình quy hoạch (tối ưu) đơn mục tiêu, còn nếu F là véc tơ thì có mô hình quy hoạch (tối ưu) đa mục tiêu. X có thể là một biến đơn lẻ hay một tập hợp nhiều biến tạo thành một vectơ hay thậm chí là một hàm của nhiều biến khác. Biến có thể nhận các giá trị liên tục hay rời rạc. D là miền ràng buộc của X, thường được biểu diễn bởi các đẳng thức, bất đẳng thức và được gọi là miền phương án khả thi hay phương án chấp nhận được (Bùi Thế Tâm, Bùi Minh Trí, 1996) [90].
Hiện nay có 2 cách tiếp cận trong tối ưu hóa:
(1) Mô hình tối ưu hóa một mục tiêu (single-objective optimization) và (2) Mô hình tối ưu hóa đa mục tiêu (Multi - objective optimization)
* Tối ưu hóa một mục tiêu
Tối ưu hóa một mục tiêu quan trọng nhất và biến đổi mục tiêu còn lại thành hệ ràng buộc. Cách tiếp cận này đôi khi không nhận được lời giải khả thi (Burke và Kendall, 2005) [120].
* Mô hình tối ưu hóa đa mục tiêu (Multi-Ojbjective Optimization - MOP) Trong các bài toán kỹ thuật, công nghệ, quản lý kinh tế, nông nghiệp ... thông thường chúng ta thường phải xem xét đồng thời một lúc nhiều mục tiêu. Các mục tiêu này thường là khác về thứ nguyên, tức là chúng được đo bởi các đơn vị khác nhau.
Những tình huống như vậy tạo ra các bài toán đa mục tiêu. Do vậy, người ra quyết định lúc này cần phải tối ưu hoá không phải là chỉ một mục tiêu nào đó, mà là đồng thời tất cả các mục tiêu đã đặt ra tùy theo tình huống thực tế.
1.3.4.2. Một số ứng dụng của bài toán tối ưu trong sử dụng đất
Việc ứng dụng bài toán tối ưu trong các lĩnh vực toán học, khoa học, quản lý nói chung và ngành quản lý đất đai nói riêng đã được các nhà khoa học vận dụng thử nghiệm trên cả lý thuyết và thực tiễn. Đối với ngành quản lý đất đai, mục tiêu của ứng dụng bài toán tối ưu là tìm ra được phương án sử dụng đất hiệu quả và bền vững.
Mô hình bài toán tối ưu đã được ứng dụng trong 3 khía cạnh: quy hoạch sử dụng đất, đánh giá hiệu quả sử dụng đất và xác định cơ cấu cây trồng hợp lý.
a. Ứng dụng bài toán tối ưu trong quy hoạch sử dụng đất
Sử dụng mô hình toán tối ưu đa mục tiêu để xác định các phương án bố trí sử dụng đất đai đạt mục tiêu phát triển bền vững làm cơ sở hiệu quả cho quy hoạch sử dụng đất đai được ứng dụng nhiều ở Việt Nam.
Nghiên cứu của Lê Quang Trí và c.s, năm 2013 [91] tại ĐH Cần Thơ đã sử dụng bài toán tối ưu để thực hiện đề tài nghiên cứu: “Tối ưu hóa trong việc lựa chọn các mô hình sử dụng đất nông nghiệp bền vững cấp huyện, nghiên cứu cụ thể huyện Trà Ôn, tỉnh Vĩnh Long”. Sử dụng mô hình toán tối ưu theo phương pháp thỏa dụng mờ đã xác định phương án bố trí sử dụng đất hợp lý cơ bản đáp ứng mục tiêu phát triển bền vững cho 05 mục tiêu về hiệu quả lợi nhuận, hiệu quả yêu cầu lao động, hiệu quả động vốn, mức thích hợp đất đai và hiệu quả môi trường. Kết quả nghiên cứu đã chỉ ra:
- Phương pháp thỏa dụng mờ có quan hệ mật thiết với phương pháp đánh giá thích hợp đất đai định tính tự nhiên. Kết quả phân hạng thích hợp đất đai và kết quả phân vùng thích hợp đất đai tự nhiên là cơ sở để tiến hành phương pháp sử dụng mô hình toán tối ưu.
- Sử dụng mô hình toán tối ưu đa mục tiêu theo phương pháp thỏa dụng mờ là phương pháp tối ưu hiệu quả để xác định các phương án bố trí sử dụng đất đai đạt mục tiêu phát triển bền vững làm cơ sở hiệu quả cho quy hoạch sử dụng đất đai. Để đưa ra các phương án tối ưu hóa lựa chọn sử dụng đất đai phù hợp thực tiễn và mang tính bền vững thì cần phải xác định các dữ liệu đầu vào cho mô hình toán một cách đầy đủ, chính xác.
Một số nghiên cứu khác về ứng dụng bài toán tối ưu làm cơ sở cho quy hoạch sử dụng đất cũng được triển khai ứng dụng như nghiên cứu của Nguyễn Hữu Kiệt và c.s (2014) [36] trong “Đánh giá thích hợp đất đai kết hợp ứng dụng phương pháp toán tối ưu làm cơ sở cho quy hoạch sử dụng đất nông nghiệp tại huyện Cờ Đỏ, TP.
Cần Thơ” cho thấy sự kết hợp giữa đánh giá thích hợp đất đai tự nhiên với phương pháp tối ưu trên địa bàn huyện, đã tìm ra các kiểu sử dụng đất nông nghiệp với lợi nhuận tối ưu nhưng vẫn đáp ứng trên các ràng buộc tài nguyên để đáp ứng cho quy hoạch sử dụng đất nông nghiệp. Việc ứng dụng mô hình bài toán quy hoạch tuyến tính LP (linear programming) trên các kiểu sử dụng đất chính mà nhóm tác giả đã sử dụng cho ra được lời giải tối ưu, từ đó là cơ sở đề xuất phương án sử dụng đất theo
hướng hiệu quả, tiết kiệm, đáp ứng cho yêu cầu phát triển chung của huyện. Qua nghiên cứu có thể thấy khi ứng dụng bài toán LP thì các yếu tố ràng buộc về điều kiện kinh tế, xã hội luôn luôn thay đổi. Vì vậy, cần có những kịch bản và kết quả quy hoạch tương ứng với kịch bản đó để làm căn cứ quyết định lựa chọn thích hợp hơn trong tương lai. Tuy nhiên, để có thể quy hoạch một cách chi tiết cụ thể thì cần xây dựng mô hình bài toán tối ưu ở cấp xã để làm cơ sở bố trí các loại cây trồng đến mức độ giải thửa. Và đối với các bài toán quy hoạch tuyến tính này nên ứng dụng Module Solver (Đây là một công cụ cao cấp của Microsoft Excel dùng để giải bài toán quy hoạch tuyến tính, bản Solver có thể giải được bài toán đến 200 biến trong Excel 2003).
Ngoài ra, kỹ thuật tối ưu hóa đa mục tiêu còn được tích hợp cùng với GIS để hỗ trợ quy hoạch sử dụng đất nông nghiệp (Lê Cảnh Định (2011) [19]. Với luận án
“Tích hợp GIS và kỹ thuật tối ưu hóa đa mục tiêu mờ để hỗ trợ quy hoạch sử dụng đất nông nghiệp” (Lê Cảnh Định, 2011) [19]. Tác giả đã kết hợp giữa mô hình tối ưu đa mục tiêu tuyến tính (MOLP), GIS và các mô hình xử lý không gian cũng như tri thức không gian tạo nên mô hình bố trí không gian sử dụng đất phù hợp với đặc thù ở Việt Nam. Mô hình có thể trả lời đầy đủ câu hỏi bố trí mỗi loại đất với diện tích bao nhiêu và bố trí ở đâu?. Đây là công cụ thực sự hữu ích cho những người làm công tác quy hoạch, nhà quản lý và hoạch định chính sách sử dụng đất nông nghiệp cũng như quản lý tài nguyên đất đai.
b. Ứng dụng trong đánh giá hiệu quả sử dụng đất
Sử dụng bài toán tối ưu được ứng dụng nhiều trong đánh giá hiệu quả sử dụng đất, như các nghiên cứu của Nguyễn Hải Thanh trong các trường hợp sau:
Trường hợp 1: “Mô hình tối ưu tuyến tính một mục tiêu giải bài toán quy hoạch sử dụng đất trên địa bàn xã Đông Dư, huyện Gia Lâm, tỉnh Hà Nội” (Nguyễn Hải Thanh, 2006) [68]. Đây là bài toán tối ưu một mục tiêu với mục tiêu cần cực đại hoá là hiệu quả kinh tế.
Để thiết lập mô hình, trước hết chọn các biến quyết định. Dựa vào kết quả các dữ liệu đã thu được, chọn các biến quyết định như sau: xj với j = 1, 2, …, 18 là diện tích các loại cây trồng (theo thứ tự là: Lúa Xuân, lúa Mùa, ngô Xuân, ngô Đông, ngô bao tử đông, Lạc Xuân, đậu xanh Xuân, đậu tương Đông đất chuyên màu, đậu tương Đông đất ba vụ, dưa chuột Xuân, dưa chuột bao tử, mướp đắng xuân, rau mùi tàu, rau gia vị, đậu cô ve Đông, ớt Xuân, cà chua Xuân, cà chua Đông), x19 là diện tích ao hồ
thả cá ao cá, xj với j = 20, …, 24 là số đầu vật nuôi trong năm (trâu, bò, lợn, gia cầm).
x24 là số công lao động thuê ngoài, x25 là lượng tiền vốn vay ngân hàng. Tác giả có bài toán tối ưu tuyến tính một mục tiêu (hiệu quả kinh tế) với 33 ràng buộc. Bằng phần mềm thương phẩm thích hợp có sẵn Lingo hoặc sử dụng Solver của Excel có thể tìm ra được phương án tối ưu của bài toán.
Trường hợp thứ 2:
Mô hình quy hoạch tuyến tính đa mục tiêu giải quyết vấn đề đánh giá hiệu quả sử dụng đất và lao động trên địa bàn xã Trâu Quỳ, huyện Gia Lâm, tỉnh Hà Nội)
Để quy hoạch sử dụng đất, đồng thời đảm bảo đạt hiệu quả môi trường, cần xem xét năm mục tiêu sau:
i) Tổng lợi nhuận, ii) Hiệu quả sử dụng vốn, iii) Giá trị ngày công lao động, iv) Số công lao động, vi) Hiệu quả môi trường.
Để giải bài toán đa mục tiêu trên, trước hết phải chọn các biến quyết định. Dựa vào cơ cấu cây trồng của xã sẽ lựa chọn các biến sau:
x1: Diện tích trồng Lúa Xuân (ha), x2 : Diện tích trồng Lúa mùa (ha), x3 : Diện tích trồng ngô (ha), x4 : Diện tích trồng đậu tương (ha), x5 : Diện tích trồng khoai tây (ha), x6 : Diện tích trồng rau (ha), x7: Diện tích trồng mùi (ha), x8 : Diện tích trồng táo (ha), x9: Diện tích trồng nhãn (ha), x10: Diện tích trồng xoài (ha).
5 mục tiêu cần cực đại hóa là: i) Tổng lợi nhuận (z1), ii) Hiệu quả sử dụng vốn (z2), iii) Giá trị ngày công lao động (z3), iv) Số công lao động (z4), vi) Hiệu quả môi trường (z5).
Tác giả đã ứng dụng phần mềm MULTIOPT để chạy bài toán tối ưu sau đó so sánh với thực tế sử dụng đất canh tác xã Trâu Quỳ. Kết quả tại bảng 1.5
Ngoài các ứng dụng trên, còn có một số nghiên cứu ứng dụng các mô hình bài toán tối ưu trong việc giải quyết các vấn đề thực tế như: “Ứng dụng mô hình toán học nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng đất cho nông hộ trên địa bàn huyện Trùng Khánh, tỉnh Cao Bằng” của Nguyễn Tuấn Anh (Nguyễn Tuấn Anh, 2004) [1]. Việc ứng dụng mô hình bài toán quy hoạch tuyến tính ngẫu nhiên đa mục tiêu trên các Loại sử dụng đất chính cho các nông hộ đã cho lời giải tối ưu, từ đó giúp tác giả đề xuất phương án sử dụng đất theo hướng hiệu quả, tiết kiệm, đáp ứng cho yêu cầu phát triển chung của cả huyện cũng như của các nông hộ.
Nghiên cứu của Nguyễn Thị Vòng (2001) [108] về “Xây dựng quy trình công nghệ đánh giá hiệu quả sử dụng đất thông qua việc chuyển đổi cơ cấu cây trồng”.
Thông qua việc ứng dụng mô hình bài toán tối ưu cơ cấu cây trồng cho phép chọn những công thức luân canh hợp lý, chính xác, có cơ sở khoa học và dễ thực hiện, đồng thời cho hiệu quả sản xuất cao trên cơ sở điều kiện tài nguyên và môi trường sinh thái phù hợp.
c. Ứng dụng bài toán tối ưu trong bố trí, xác định cơ cấu cây trồng thích hợp
Bài toán tối ưu được sử dụng để xác định cơ cấu cây trồng cho phép chọn được những công thức luân canh hợp lý, chính xác, có cơ sở khoa học và dễ thực hiện. Cụ thể được thể hiện trong một số nghiên cứu sau:
- Mô hình quy hoạch tuyến tính đa mục tiêu giải quyết vấn đề đánh giá hiệu quả sử dụng đất và xác định cơ cấu cây trồng xã Nhân Chính, huyện Lý Nhân, tỉnh Hà Nam. (Nguyễn Hải Thanh, 2013) [71]
Để có thể chọn những công thức trồng trọt phù hợp với điều kiện đất đai, đồng thời đảm bảo đạt hiệu quả mong muốn, cần xét ba mục tiêu sau:
+ Hiệu quả kinh tế + Độ thích hợp đất đai + Hiệu quả môitrường.
Với 3 mục tiêu cần giải quyết trên, để giúp người ra quyết định có một lời giải thoả mãn nhất trước tiên cần thiết lập mô hình và chọn các biến quyết định xác định hàm thoả dụng, xây dựng bài toán tối ưu cho từng mục tiêu riêng rẽ. Bài toán tối ưu đa mục tiêu trên được giải bằng phần mềm MULTIOPT.
Bảng 1.5. Kết quả lựa chọn phương án tối ưu
Đơn vị đất
Khu
vực Phương án 1 Diện tích
(ha) Phương án 2 Phương án 3 Phương án chọn 1 1 Bí xanh (xuân) -
LM - bắp cải 92,87 Cà chua (đông) - LM - bắp cải
Lúa xuân (TQ) LM (TQ) - khoai tây
Bí xanh (xuân) - LM - bắp cải
2 2
Bí xanh (xuân) - cà chua (hè thu)-
su hào
27,62 Bí xanh (xuân) - cà chua (hè thu)- su hào
Bí xanh (xuân) - LM - bắp cải
Bí xanh (xuân) - cà chua (hè thu)-
su hào 3; 4;
14;
13 3
Bí xanh (xuân) - cà chua (hè thu)-
su hào
41,52 Bí xanh (xuân) - cà chua (hè thu)- su hào
Bí xanh (xuân) - LM - khoai tây
Bí xanh (xuân) - cà chua (hè thu)-
su hào ...
(Nguồn: Nguyễn Hải Thanh, 2013)[71]
Kết quả ở bảng 1.5 cho thấy:
Phương án 1: Các công thức trồng trọt cho hiệu quả kinh tế cao nhất.
Phương án 2: Các công thức trồng trọt cho hiệu quả cao nhất về mức độ thích hợp đất đai.
Phương án 3: Các công thức trồng trọt cho hiệu quả môi trường cao nhất Phương án cho ở cột phương án chọn là phương án thoả dụng ứng bộ giá trị các trọng số: w1 = 0.4, w2 = 0.2, w3 = 0.4 khi sử dụng phần mềm MULTIOPT.
Ngoài ra, trong nghiên cứu khác của Đinh Duy Khánh, Đoàn Công Quỳ (2006) đã xây dựng mô hình bài toán tối ưu đa mục tiêu để xác định phương án tổ chức sản xuất trên đất canh tác cho huyện Gia Viễn, tỉnh Ninh Bình. Bài toán tối ưu được giải bằng Modul Solver trong phần mềm Excel, theo phương pháp nhượng bộ từng bước.
Kết quả nghiên cứu cho thấy, hiện trạng sản xuất ngành trồng trọt của huyện Gia Viễn tương đối đa dạng. Cây trồng cho hiệu quả kinh tế cao nhất là dưa chuột, GTSX đạt 50,4 triệu đồng/ha; GTGT đạt 45,8 triệu đồng/ha. LUT cho hiệu quả kinh tế cao nhất là lúa + cá cho GTSX là 93,350 triệu đồng và GTGT là 82,465 tiệu đồng đồng trên 1 ha. Cá nuôi vụ mùa trên ruộng lúa cũng cho hiệu quả kinh tế rất cao (GTSX đạt 80,5 triệu đồng, GTGT đạt 73,25 triệu đồng/ha). Để nâng cao hiệu quả sử dụng đất canh tác, huyện cần chuyển đổi mạnh cơ cấu cây trồng theo hướng tăng diện tích cây trồng cho hiệu quả cao, kiên quyết loại trừ những cây trồng cho hiệu quả thấp. Thực hiện theo phương án này, mặc dù không phải đầu tư bổ sung nhưng GTSX sẽ tăng 97,814 tỷ đồng, GTGT sẽ tăng 93,825 tỷ đồng so với hiện trạng.
Các vấn đề nghiên cứu chuyên khảo (study cases) cũng được nhiều tác giả nghiên cứu và triển khai trong thực tế và mang lại lợi ích thiết thực, cho thấy tầm quan trọng của việc ứng dụng các mô hình bài toán tối ưu trong việc giải quyết các vấn đề thực tế như:
- Nguyễn Hải Thanh (2013) [71]: “Ứng dụng phương pháp toán tuyến tính và hồi quy tuyến tính, phương pháp đơn hình một chiều và đơn hình hai chiều trong nông nghiệp xác định cơ cấu sử dụng đất” tác giả đã dùng mô hình bài toán tối ưu đa mục tiêu để tìm ra phương án tối ưu nhất từ đó làm cơ sở đề xuất bố trí cơ cấu sử dụng đất canh tác sao cho việc sử dụng đất đạt hiệu qủa cao nhất, thỏa mãn đồng thời nhiều yêu cầu kinh tế xã hội của địa phương.
- Phùng Gia Hưng và cs (2014) [30], đã ứng dụng bài toán tối ưu đa mục tiêu để xác định cơ cấu sử dụng đất nông nghiệp hợp lý trên vùng đất bạc màu tỉnh Bắc
Giang, tác giả áp dụng phương pháp tương tác thỏa hiệp mờ để giải bài toán trên cơ sở sử dụng phần mền lingo 13.0 đã đề xuất được cơ cấu sử dụng đất sản xuất nông nghiệp vùng đất bạc màu với tổng diện tích đất sản xuất nông nghiệp là 73.412,12 ha và cụ thể cho từng loại sử dụng đất, kiểu sử dụng đất cụ thể.
- Ứng dụng phương pháp toán tối ưu để xác định quy mô, cơ cấu sử dụng đất nông nghiệp hợp lý trên địa bàn huyện Thạch Thất - TP. Hà Nội (Nguyễn Văn Hiếu, 2009) [26].
Qua các nghiên cứu trên có thể thấy việc ứng dụng bài toán tối ưu trong lĩnh vực quản lý đất đai là một phương pháp nghiên cứu có tính khoa học và thực tiễn cao, giúp lựa chọn ra những phương án tốt nhất, tiết kiệm chi phí, đồng thời mang lại hiệu quả cao.